1、粗粒土滲透變形機制淺析何永紅，王建明，李粉靈（國家電力公司西北院工程勘察研究院，蘭州730050）關鍵詞：砂卵礫石；滲透變形；流土；管涌；孔隙比；臨界坡降摘 要：對砂卵礫石的滲透變形的形成條件進行了簡要分析，在此基礎上對 滲透變形的形式進行了簡要評價，并提出了滲透變形臨界坡降的計算方法。凡有滲流就有滲透力（水動壓力）。當水動壓力達到一定值后，土中的某些 顆粒就會被滲透水流帶走，以全發生潛蝕。潛蝕使土石結構變松，強度降低，產 生滲透變形。目前，隨著經濟的發展，許多以土石壩為主的中、小型水電站、水 庫相繼上馬，而這些水電站、水庫均大多建基于以土石為主的覆蓋層上。建壩以 后壩上游和下游之間水頭差顯著

2、增大，滲透力（水動壓力）與水力梯度亦成正比 增大，若防滲措施不當，往往會產生滲透變形甚至造成潰壩。為此本文從滲透力 （水動壓力）及顆粒成份、結構兩方面條件對滲透變形機制淺析如下。土石滲透變形的產生條件要使土石顆粒在滲透力作用下松動以全懸浮，必須克服粒間的內聚力和內摩 擦并使滲透力超過土的水下浮容重。由于土的內聚力和內摩擦隨土的顆粒組成、 固結程度、膠結狀況不同而有很大變化，所以首先只能將土簡化為無內聚力和內 摩擦的松散土體，分析使其進入懸浮狀態的水動力條件，然后再討論土石結構、 顆粒成份和致密程度在滲透變形中的作用。1滲透變形的水動力條件在一定條件下，滲流動力的作用，不論土中是否受到機械管涌都

3、可導致土的 流土破壞。產生流土破壞的土，是由均一顆粒組成的。在滲流由下向上的情況下， 流土破壞發生在由下而來的滲透壓力超過了土的浮重的情況下。用公式表示則 為：JN（G 1）（1 n）s式中：J為滲流坡降；G為土粒比重；n為土體孔隙比。而機械管涌，即單個顆 粒向土骨架內的移動則受到3個力的作用：假設單個顆粒為球形，則這3個力為：（1）土在水中的重量一n d3/6（G 一）；（2）在數值上與無限水流繞顆粒流胡的顆粒阻力相等，但符號相反的拖曳 力一C. n d2 /4.u2 / 2g；（3）滲流中由土骨架水力阻力所造成的孔隙壓力差n d2/6J。當坡降 JN n d3 /6（G 一 ）C n d2

4、 /4u2 / 2g / - n d2 / 6 時， 單個顆粒即向土骨架內移動。式中：d為土顆粒直徑；為水比重；C為顆粒阻 力系數（靜水中下降的情況）；u為水滲流速度；J為水力坡降；g為重力加速 度。實際上，土所有的單個顆粒，在某種程度上所產生的滲流運動阻力，形成局 部壓力差，局部壓力差相加之和，便形成滲流中的總壓力差。所以，土的單個顆 粒處在兩個壓力差的作用下：第一，總壓力差，是由所有其它顆粒阻力所形成的； 第二，局部壓力差，是由顆粒對水流的固有作用一一固有阻力而形成的，其在數 值上與繞流顆粒本身對與水流作用的固有阻力相等(即拖曳力)。同時，設想劃 出某一定體積單元土體，這是僅作用有一個外部

5、水動力一一總壓力差。所以，受 滲流作用的土體，對于單個顆粒作用著兩個水動力，而對于單元土體作用著一個 水動力。1.2滲透變形的幾何條件要發生滲透變形，光有足夠的水動力條件是不夠的，還要有讓顆粒移動的通 道一孔隙。卵礫石土的滲透變形主要取決于顆粒級配及密實度。沖積砂卵礫石層，顆粒 多為粗粒級，易形成均勻性差、松散的砂礫充填、少充填和無充填的孔隙，易于 構成滲流管道，呈現紊流狀態，滲透變形多為管涌。土體的滲透性能可用土的孔隙平均直徑(D)表征，在其他條件相同的條件 下，孔隙平均直徑較大的土體，其過水面積較大，滲透水流在運動過程中所受的 阻力就較小，因而其透水性就較強。對于不均勻土，水利水電科學院及

6、前蘇聯伊 斯托米娜的試驗資料表明，孔隙平均直徑主要取決于土體的等效粒徑(通常取 d20)，其次是孔隙率n，二者的關系可用下式表示： D =0. 63nd0在工程實際中的沖積砂卵礫石土基本均為多粒級土，其顆粒級配可以認為是 由粗粒和細粒兩部分組成的，其中粗粒起骨架作用，細粒起填充作用。級配不連 續的土，以顆粒級配曲線上的不連續點的粒徑為區分粒徑；級配連續的土，以幾 何平均粒徑為區分粒徑，即d =(dd ) 1/2，其中d和d分別為小于該粒徑 的土的質量占總土質量的70玖和10以的牛的粒徑。根據區分粒徑可以將土體區 分為粗粒和細粒兩部分。實際上，沖積砂卵礫石土中的整個孔隙系統，在水力學方面可以認為

7、它相當 于彎曲的立體網狀的毛細管束，根據前蘇聯普則里毛細管平均流速公式：u=n / v=g (0. 214nd50) 2 (n J / 4)/ 32y式中：u為毛細管平均流速；n為孔隙率；d50為顆粒級配中累計含量占50%的顆 粒粒徑(mm)； Y為土體容重。則毛細管的直徑為D = 0. 214nd，毛細管在單位土體中的總面積則為孔隙 率n。當細粒粒徑小于D時，細粒土便能在孔隙(即毛細管)中移動。在土體滲透水動力和土體結構兩方面條件都滿足的條件下，土體即發生滲透 變形。土體滲透變形的判定1 一般判定方法根據水利水電工程地質勘察規范(GB50287 99)規定，土的滲透變形 分別根據土的細粒含量

8、用下式判定：流土： P N100/4 (1 n)管涌：P：V100/4 (1 n)式中：P為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計(%)； n為土的孔隙率(%)。2根據細粒含量判定滲透變形形式根據土中細粒含量，南京水利科學研究院從土體的細粒填料體積等于骨架體積的概念出發，導出產生管涌破壞的最大細粒含量Pz的關系式為：P =ani/2 /(l + ni/2)式中：a為修正系數，0. 951. 00； n為土體孔隙率(%)。土體中區分填料與骨架的界限粒徑以2 mm作為界限粒徑，若土體中實有細 粒含量P小于P，則為管涌土，否則為非管涌土，只可能產生流土破壞。大量研究表明，當細粒填料超過總土重的35%時，骨

9、架孔隙已全部被細粒 充填，所以土的滲透系數及滲透破壞坡降主要取決于細粒填料的性質，滲透變形 主要形式為流土。細粒填料含量小于25%時，粗粒骨架間的孔隙不能被細粒填 滿，土體滲透變形形式主要為管涌。當細粒含量為25%35%時，土體的滲透 變形主要取決于土的密度、顆粒粒徑和形狀，既可能是流土，也可能產生管涌。2. 3根據顆分曲線判定滲透變形形式如果土體顆分曲線為明顯的瀑布型(如圖la)且分計篩分曲線為雙峰，則 說明顆粒級配缺乏中間粒徑，土體的滲透變形形式為管涌；如果土體顆分曲線為 明顯的直線型(如圖lb)且分計篩分曲線為單峰，土體的滲透變形形式則為流 土；如果土體的顆分曲線不具備上述特征，則土體流

10、土和管涌同時發展。圖】腰粒分新曲嫉*累計野帝以上土體的滲透變形形式判定為目前國內常用的判定方法，并加上多年試驗 工作中的經驗積累。土體的滲透變形形式并不能用一種方法去確定，往往應結合 兩種或兩種以上的方法確定，對于重大工程還同時應取樣或在原位以試驗觀測加 以確定。土體滲透變形的有關計算1 一般計算方法根據水利水電工程地質勘察規范(GB50287 99)規定，土的滲透變形 臨界坡降(J )分別用下式計算： cr流土： J = (G 1)(1 n)管涌或過渡：J =2. 2 (G 1)(1 n) 2d / d式中，d、d分別為占總 crs520520土重5%和20%的土粒粒徑 (mm)o2根據多年的試驗資料，卵礫石土臨界坡降(J )與其滲透系數有如下關 cr系：J =0. 132k-0. 325 式中，k 為滲透系數(cm/s)。帝面對砂卵礫石土的滲透變形機制根據前人的研究材料，結合筆者進行的大 量滲透變形試驗，對滲透變形機